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No início dos anos 2000, os cientistas observaram descargas elétricas produzindo raios-X compostos por fótons de alta energia – o mesmo tipo usado para imagens médicas. Os pesquisadores poderiam recriar esse fenômeno no laboratório, mas não conseguiam explicar completamente como e por que os raios produziam raios-X. Agora, duas décadas depois, uma equipe liderada pela Penn State descobriu um novo mecanismo físico que explica os raios-X que ocorrem naturalmente associados à atividade de raios na atmosfera da Terra.
Eles publicaram seus resultados em 30 de março em Cartas de Pesquisa Geofísica.
A descoberta da equipe também pode lançar luz sobre outro fenômeno: o pequeno choque às vezes sentido ao tocar uma maçaneta de metal. Chamada de descarga de centelha, ela ocorre quando uma diferença de tensão é criada entre um corpo e um condutor. Em uma série de experimentos de laboratório na década de 1960, os cientistas descobriram que as descargas de faíscas produzem raios-X – assim como os raios. Mais de 60 anos depois, os cientistas ainda estão realizando experimentos de laboratório para entender melhor o mecanismo por trás desse processo.
O relâmpago consiste em parte de elétrons relativísticos, que emitem rajadas espetaculares de raios-X de alta energia com dezenas de mega energias de elétron-volt chamadas flashes de raios gama terrestres (TGFs). Os pesquisadores criaram simulações e modelos para explicar as observações do TGF, mas há uma incompatibilidade entre os tamanhos simulados e reais, de acordo com o principal autor Victor Pasko, professor de engenharia elétrica da Penn State. Pasko e sua equipe modelaram matematicamente o fenômeno TGF para entender melhor como ele pode ocorrer no espaço compacto observado.
“As simulações são todas muito grandes – geralmente com vários quilômetros de diâmetro – e a comunidade tem dificuldade em reconciliar isso agora com as observações reais, porque quando o raio se propaga, é muito compacto”, disse Pasko, explicando que o canal espacial do raio normalmente tem vários centímetros. em escala, com atividade de descarga elétrica produzindo raios-X se expandindo em torno das pontas desses canais até 100 metros em casos extremos. “Por que essa fonte é tão compacta? Tem sido um enigma até agora. Como estamos trabalhando com volumes muito pequenos, isso também pode ter implicações para os experimentos de laboratório com descargas de faísca em andamento desde a década de 1960.”
Pasko disse que eles desenvolveram a explicação de como um campo elétrico amplifica o número de elétrons, conduzindo o fenômeno. Os elétrons se espalham em átomos individuais, que constituem o ar, à medida que experimentam aceleração. À medida que os elétrons se movem, a maioria deles avança à medida que ganha energia e se multiplica, semelhante a uma avalanche de neve, permitindo que produzam mais elétrons. À medida que a avalanche de elétrons, eles produzem raios-X, que lançam os fótons para trás e produzem novos elétrons.
“A partir daí, a pergunta que queríamos responder matematicamente era: ‘Qual é o campo elétrico que você precisa aplicar para apenas replicar isso, para lançar raios-X suficientes para trás para permitir a amplificação desses elétrons selecionados?’”, disse Pasko. .
A modelagem matemática estabeleceu um limiar para o campo elétrico, segundo Pasko, o que confirmou o mecanismo de feedback que amplifica as avalanches de elétrons quando os raios X emitidos pelos elétrons viajam para trás e geram novos elétrons.
“Os resultados do modelo concordam com as evidências observacionais e experimentais que indicam que os TGFs se originam de regiões relativamente compactas do espaço com extensão espacial da ordem de 10 a 100 metros”, disse Pasko.
Além de descrever fenômenos de alta energia relacionados a raios, Pasko disse que o trabalho pode eventualmente ajudar a projetar novas fontes de raios-X. Os pesquisadores disseram que planejam examinar o mecanismo usando diferentes materiais e gases, bem como diferentes aplicações de suas descobertas.
Os outros autores do artigo são Reza Janalizadeh, um bolsista de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica da Penn State; Sebastien Celestin da Universidade de Orleans em Orleans, França; Anne Bourdon, da Ecole Polytechnique em Palaiseau, França; e Jaroslav Jansky da Universidade de Defesa em Brno, Czechia.
A National Science Foundation financiou este trabalho.
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